2019年10月 机械设计与制造工程 Oct.2019第48卷第10期 MachineDesignandManufacturingEngineering Vol.48No.10DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2019.10.009
基于动态耦合分析的升船机多钢丝绳受力均衡性控制方法研究
(2.四川核工业技师学院核工程与技术系ꎬ四川广元 628003)
摘要:传统的多钢丝绳受力均衡性控制方法仅考虑液压均衡系统中各部件的单向耦合关系ꎬ易导致多钢丝绳受力不均的问题ꎬ为此提出基于动态耦合分析的升船机多钢丝绳受力均衡性控制方法ꎮ分析升船机液压均衡系统中液压缸与钢丝绳间的动态耦合关系ꎬ通过调节液压缸压力控制钢丝绳受力情况ꎬ使钢丝绳处于均衡状态ꎻ设计液压缸张拉装置控制多钢丝绳的均衡性ꎬ通过操作泵站调节单个液压缸平衡钢丝绳拉力ꎬ实现升船机多钢丝绳受力均衡性控制ꎮ实验结果表明ꎬ该方法有效解决了多钢丝绳受力不均问题ꎬ且实现了对多钢丝绳受力的均衡性控制ꎬ为升船机的稳定运行提供了保障ꎮ
关键词:动态耦合ꎻ升船机ꎻ液压均衡系统ꎻ钢丝绳ꎻ均衡性ꎻ控制
中图分类号:TH137 文献标识码:A 文章编号:2095-509X(2019)10-0040-05 升船机是一种为在航道上集中水位落差而设立的通航建筑物ꎮ随着我国水利水电事业的不断发展ꎬ相关专家对升船机控制系统的研究也逐步深入
[1]
(1.韩国汉阳大学机械工学部ꎬ韩山 15588)
陈逸鹏1ꎬ翟斌元2
1 升船机多钢丝绳受力均衡性控制研究
1.1 液压均衡系统各部件间动态耦合关系分析
升船机的液压均衡系统包括液压缸、钢丝绳、油路、泵站等结构ꎬ其中一个液压缸只控制一根钢丝绳ꎬ其结构如图1所示ꎮ
机液压均衡系统包含多个油缸、钢丝绳等部件ꎬ各部件间存在动态耦合关系ꎮ液压均衡系统通过调节油缸位置保障不同钢丝绳承载均衡的拉力ꎬ避免因受力不均导致钢丝绳断裂现象[2]ꎻ同时ꎬ调节油缸能够使升船机处于稳定运行状态ꎬ降低重大事故发生概率ꎮ其中钢丝绳是连接升船机承船厢与液压缸的纽带ꎬ是升船机液压均衡系统的重要组成部件ꎬ因此钢丝绳受力均衡是保证升船机稳定运行的关键因素之一[3]ꎮ
本文拟对钢丝绳进行均衡控制方法研究ꎮ由
ꎮ升船机依靠液压系统稳定升降船只ꎮ升船
于升船机液压均衡系统中各部件间存在耦合关系[4]ꎬ因此本文研究了一种基于动态耦合分析的升船机多钢丝绳的受力均衡性控制方法ꎬ在分析各个部件间的动态耦合关系的基础上ꎬ设计了液压缸张拉装置ꎬ以实现对升船机多钢丝绳受力的均衡控制ꎮ
收稿日期:2019-06-17
图1 升船机液压均衡系统结构图
为实现对升船机液压均衡系统多钢丝绳受力的均衡ꎬ需了解钢丝绳所在的液压均衡系统中各部件间的动态耦合关系[5]ꎮ首先构建升船机液压均衡系统数学模型ꎬ如图2所示ꎮ
图2描述的是3油缸连通情况ꎬ其中x1i为第i
作者简介:陈逸鹏(1997—)ꎬ男ꎬ本科生ꎬ专业为机械工程ꎬ13789806345@163.com.通讯作者:翟斌元ꎬluo.luo.88@163.com.
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2019年第10期 陈逸鹏:基于动态耦合分析的升船机多钢丝绳受力均衡性控制方法研究
图2 液压均衡系统的数学模型
个液压缸和承船厢铰接点相对海平面的位移ꎻx为第i个液压缸活塞起始位置的位移ꎻx个2i
卷筒卷入点处的位移ꎻT3i为第i性系数ꎻF1ꎬT2ꎬT3为连接部位的弹为连通管路公共压力1ꎬF2ꎬF3为钢丝绳承受的拉力ꎻuꎻbꎬb′为液体容量ꎮ31个油缸ꎬu2ꎬu3之间通过油路及钢丝绳与泵站和承船厢等结构相连并相互作用ꎬ共同实现升船机液压系统的正常运转ꎮ
根据图2所示的数学模型ꎬ构建流量连续性方程和液压管路连通方程Hi=dxꎬ分别如式(1)、(2)所示:
2i-
Mdu
{
BudtWdt
(1)iJH=Hi-H
i(2)
式中:W为油缸中液体的梯级弹性模量+LHi=ui-u
℃油缸质量大气压中的变化较为微弱而视其为定值ꎬ因其在ꎻB为连通管路液容ꎻJ为连通管路液感ꎻM20
为ꎻ
L为连通管路液阻ꎻuꎬui均为连通管路的公共压力ꎻHi为进口流量ꎻH为出口流量ꎮ
在液压系统的实际应用中ꎬ可将式(2)转化为:
RHi=ui式中:R为广义阻抗系数-u
ꎮ结合式(1)与式(3)(3)
可得动力状态下液压缸连通方程ꎬ如式(4)所示:
nRx2i=nui-∑nui=nLun
i=1i-式中:n为液压缸连通数目ꎻA∑i=1
Ai(4)
i为液压缸活塞杆的
受力值ꎮ
用x
̇将钢丝绳液压均衡系统不同坐标点相对速度
缸ꎬ所以钢丝绳拉力变化率1iꎬẋ2iꎬẋ3i表示ꎬ由于一个钢丝绳对应一个液压Ai将式=Ti(4)(ẋTẋi计算方法如下:
代入式3i-2i-ẋ(5)1i可得):
(5)
Ai=Ti[(x
̇3i-ẋ1i)-1B
(3Ti-式(6)描述的是升船机液压系统受力∑3
i=1
Ti)](6)
-位移方程ꎬ采用辅助差分方程将式力-界面位移方程A
̇(6)转化成标准界面
(t):A
̇(t)=dTiT|t+Δt式中:t为额定时间dt≈iꎬsꎻ△t为调节时刻Δt
-Ti|t(7)
ꎬsꎮ
结合式(4)~(7)获得液压均衡系统连通结构
动态耦合方程:
GXj式中|t+Δt=F|t+Δt+F
̇|t+Δt(8)
(Ft∗+ꎬΔ:GFt∗)时间点时为钢丝绳=[Fuꎬ界面力为-液压系统结构刚度矩阵Fꎬ界面力增量矩阵为ꎻ在i]Tꎬ界面位移量为Xj分析上述模型可知ꎬ在液压均衡系统控制下ꎮ
ꎬ
液压缸与钢丝绳均处于平衡状态ꎬ各部件相互耦合ꎬ钢丝绳才能均衡受力[6]受力不均时ꎬ可通过调节液压缸的压力来控制钢丝ꎮ当升船机多钢丝绳绳受力ꎬ使钢丝绳处于均衡状态ꎮ
1.2 利用液压缸张拉装置实现多钢丝绳均衡控制
根据上述耦合动力分析结果可知ꎬ通过调节液压缸压力可控制多钢丝绳的受力情况ꎬ因此研究采用液压缸张拉装置提高多钢丝绳的受力均衡性ꎬ过程如下:以双液压缸张拉装置为基础控制升船机多钢丝绳均衡受力ꎬ由于一个液压缸只控制一根钢丝绳ꎬ因此在此基础上适当调整液压缸数量[7]现多钢丝绳的均衡控制ꎮ控制结构如图3所示ꎬ来实ꎮ图3 多钢丝绳均衡性控制结构图
构通过调节升船机液压系统各部件受力情况 结合图3分析多钢丝绳均衡性控制结构ꎬꎬ该结实现升船机液压系统多钢丝绳的均衡性控制ꎬ过程如下41
:
2019年第48卷 机械设计与制造工程
铰接得到Ⅱ型闭合受力结构ꎬ该结构两端分别吊装至平衡钢丝绳调节锁定器上部、钢丝绳压头形成的固定端上部并临时锁定ꎮ钢丝绳牢固卡在两个平行状态的横梁之间ꎬ和上销轴螺栓铰接ꎮ
2)泵站管路和液压系统的油缸组连接后ꎬ通
1)两个液压缸以上销轴螺栓为中介与横梁组
2.2 均衡控制效果初步分析
一组ꎬ人为设置钢丝绳5受力大于其他5根钢丝绳ꎮ
在上述实验条件的支持下展开实验分析ꎬ采用基于动态耦合分析的升船机多钢丝绳受力均衡性控制方法控制升船机钢丝绳的受力情况ꎬ当升船机中承船厢位移变化呈现出如图5所示的线性变化时ꎬ油缸活塞杆相对位移如图6所示ꎬ钢丝绳拉力变化情况如图7所示ꎮ
过控制泵站移动液压缸活塞到有效控制钢丝绳均衡的位置[8-9]ꎬ采用下销轴螺栓铰接活塞口与承船厢的工艺孔ꎮ
控制两根钢丝绳3)两个液压缸通过操作泵站进行联动ꎮ
ꎬ同时调节单个液压缸压力来平衡钢丝绳的张力4)当单个钢丝绳受力不平衡时ꎬ可通过泵站
[10]到准确的平衡调整高度ꎮ
ꎬ得2 实验与结果分析
为验证上述控制方法在升船机多钢丝绳受力均衡性控制方面的有效性ꎬ设计实验进行验证ꎮ实验场景如图4所示ꎮ
图4 实验场景图
2.1 实验环境设计
液压均衡系统中钢丝绳提升参数见表1ꎮ
表1 钢丝绳提升参数
参数名称
数值活塞和移动部件的折算质量总和/kg6.45×104活塞与负载的黏性阻尼系数/(Nms-1)
5.5×105
库仑摩擦力/N9.05×104液压缸无杆腔作用面积/m28.86×10-2液压缸有杆腔作用面积/m2
6.95×10-2
MNs 设/置cmꎬ液钢丝绳等效弹性模量为压系统油缸的等效阻抗系数为110实验系统包含3组双液压缸、6根钢丝绳11.5ꎬMN钢丝绳/cm21ꎬ和2为一组、钢丝绳3和4为一组、钢丝绳5和6为
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图5 升船机中承船厢位移变化情况
图6 油缸活塞杆相对位移
图7 钢丝绳拉力变化情况
2019年第10期 陈逸鹏:基于动态耦合分析的升船机多钢丝绳受力均衡性控制方法研究
由图6和图7可以看出ꎬ液压系统连接钢丝绳与油缸的活塞杆相对位移曲线呈对称分布ꎬ钢丝绳拉力曲线同为对称分布ꎬ说明钢丝绳受力均衡ꎬ证明了基于动态耦合分析的升船机多钢丝绳受力均2.3 控制性能对比
衡性控制方法解决了钢丝绳受力不均的问题ꎮ
为突出基于动态耦合分析的升船机多钢丝绳受力均衡性控制方法在升船机多钢丝绳均衡性控制方面的优势ꎬ设计对比实验进行验证ꎮ对比方法选用文献[2]中的基于子结构控制方法的升船机方法的钢丝绳位移偏差量波动幅度要比文献[2]图10 57%初始速度位移误差下不同方法控制效果
多钢丝绳受力均衡控制方法PID法的升船机多钢丝绳受力均衡控制方法、文献[3]中的基于在升船机负重下降过程中分别为钢丝绳ꎮ
3设
置27%与57%的初始速度位移误差ꎬ在MATLAB软件中输入控制参数并调出如图8所示的设置界面ꎮ
图8 均衡控制参数设置页面
断变化的情况下钢丝绳 采用3种控制方法ꎬ3测量液压缸在承受压力不的位移偏差ꎬ输出的位移偏差曲线分别如图9、图10所示ꎮ
图9 27%初始速度位移误差下不同方法控制效果
随着液压缸承受压力的不断变化 图9结果显示ꎬ在27%初始速度位移误差下ꎬ不同控制方法控ꎬ制下的钢丝绳的位移偏差量也在不断变化ꎮ本文
方法小ꎬ且在文献[2]方法之前趋于平稳ꎮ由此得出ꎬ本文方法控制下钢丝绳受力均衡效果更好ꎮ
图10结果显示ꎬ在钢丝绳初始速度位移误差下降至57%情况下ꎬ随着液压缸承受压力的不断变化ꎬ不同方法的钢丝绳位移误差均有所增加ꎮ相对而言ꎬ本文方法的位移偏差曲线波动幅度明显更小ꎬ且整体波动较为规律ꎮ
综上所述ꎬ本文方法能够将升船机液压系统多钢丝绳受力控制在稳定范围内ꎬ实现多钢丝绳均衡性控制ꎬ且控制效果较优ꎮ
3 结束语
针对升船机液压系统中多钢丝绳受力不均问题ꎬ本文提出一种基于动态耦合分析的升船机多钢丝绳受力均衡性控制方法ꎬ分析了升船机液压系统间各部件的动态耦合关系ꎬ并通过调节液压缸活塞
杆降低钢丝绳的受力ꎬ以此为依据设计液压缸张拉装置ꎬ当升船机的多钢丝绳出现受力不均情况时ꎬ可适时调节液压缸活塞ꎬ保障多钢丝绳的受力均衡性ꎮ
通过实验验证了该方法均衡性控制效果显著ꎬ是保障升船机顺利提升货物、降低升船机运行故障的有效手段ꎬ对提升国家水利水电事业竞争力具有重要意义ꎮ参考文献:
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Researchonthecontrolmethodofloadequilibriumofshipliftmulti-wireropebasedondynamiccouplinganalysis
(1.DepartmentofMechanicalEngineeringꎬKoreaHanyangUniversityꎬAnshanꎬ15588ꎬKorea)
(2.DepartmentofNuclearEngineeringAndTechnologyꎬSichuanNuclearIndustry
TechnicianCollegeꎬSichuanGuangyuanꎬ628003ꎬChina)
Abstract:Thetraditionalcontrolmethodofmulti-wireropeforcebalanceonlyconsiderstheunidirectionalcou ̄plingrelationshipofeachcomponentinthehydraulicpressurebalancesystemꎬwhichwilleasilyleadtotheune ̄basedondynamiccouplinganalysisisproposed.Thedynamiccouplingrelationshipbetweenthehydrauliccylin ̄cylindertensioningdevicetocontrolthebalanceofmulti-wireropeꎬoperatesthepumpstationtoadjustthesin ̄glehydrauliccylinderandbalancethetensionofwireropeꎬachievesthebalancecontrolofmulti-wireropelift ̄elevator.
venmulti-wireropeforce.Thereforeꎬacontrolmethodofmulti-wireropeforceequalizationofshipelevatorderandthesteelwireropeintheshipliftinghydraulicequalizationsystemisanalyzed.Itdesignsthehydraulicingmachine.Experimentalresultsshowthatthismethodcaneffectivelyrealizeunevenmulti-wireropeforce
ChenYipeng1ꎬZhaiBinyuan2
andtheequalizationcontrolofmulti-wireropeforceꎬwhichprovidesaguaranteeforthestableoperationofshipKeywords:dynamiccouplingꎻshipliftꎻhydraulicequalizationsystemꎻmulti-wireropeꎻhydrauliccylinderꎻequalizationꎻcontrol
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